DE3120254C2

DE3120254C2 -

Info

Publication number: DE3120254C2
Application number: DE19813120254
Authority: DE
Inventors: Victor Albert Keith Jonesville N.Y. Us Temple
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-05-23
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1993-09-23
Also published as: SE8103222L; JPS5710972A; CA1163020A; SE457837B; CH656485A5; DE3120254A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement für hohe Spannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Halbleiterelement ergibt sich aus der DE-OS 28 22 336.The invention relates to a semiconductor element for high voltage according to the preamble of claim 1. Such Semiconductor element results from DE-OS 28 22 336.

Thyristoren, Triacs und Transistoren sind Halbleiterelemente, die häufig zum An- und Abschalten von Hochspannungsquellen benutzt werden. Diese Elemente schließen mindestens eine erste und eine zweite den Hauptstrom tragende Elektrode sowie eine Gateelektrode ein. An die erste und die zweite Hauptstrom tragende Elektrode wird eine Spannung gelegt, so daß beim Anlegen eines Steuersignals an die Gateelektrode ein Hauptstrom zwischen den genannten Hauptelektroden fließt. Das Element wird als angeschaltet bezeichnet, wenn zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode ein Strom fließt. Da das Element an der inneren Übergangszone eine Kapazität aufweist, ist seine Fähigkeit zu sperren abhängig von der Geschwindigkeit, in der eine Spannung in Durchlaßrichtung an die Hauptanschlüsse angelegt wird. Eine steil ansteigende Spannung, die an die Hauptanschlüsse gelegt wird, kann das Fließen eines kapazitiven Verschiebestroms, im folgenden als Ladestrom bezeichnet, durch das Element verursachen. Der Ladestrom I = C_jdV/dt ist eine Funktion der inhärenten Kapazität der Übergangszone und der Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung einen kritischen Wert übersteigt, dann kann der kapazitive Ladestrom groß genug sein, um einen Gatestrom ausreichender Größe und für eine ausreichende Zeit zu erzeugen, um das Element anzuschalten.Thyristors, triacs and transistors are semiconductor elements that are often used to switch high voltage sources on and off. These elements include at least a first and a second electrode carrying the main current and a gate electrode. A voltage is applied to the first and second main current-carrying electrodes, so that a main current flows between said main electrodes when a control signal is applied to the gate electrode. The element is said to be turned on when a current flows between the first and second main electrodes. Because the element has a capacitance at the inner transition zone, its ability to block is dependent on the speed at which forward voltage is applied to the main terminals. A steeply rising voltage applied to the main terminals can cause a capacitive displacement current, hereinafter referred to as charging current, to flow through the element. The charge current I = C _j dV / dt is a function of the inherent capacitance of the transition zone and the rate of increase of the applied voltage. If the slew rate of the applied voltage exceeds a critical value, the capacitive charging current can be large enough to generate a gate current of sufficient size and time to turn on the element.

Die Fähigkeit des Elementes, einer über seine Hauptanschlüsse angelegten Stoßspannung zu widerstehen, wird üblicherweise die dV/dt-Fähigkeit des Elementes genannt und in V/Mikrosekunden angegeben. Diese dV/dt-Fähigkeit wird besonders wichtig, wenn Stoßspannungen an die Hauptanschlüsse des Elementes gelegt werden. Solche Stoßspannungen treten in elektrischen Systemen auf, wenn eine Störung den Normalbetrieb des Systems unterbricht oder selbst bei Normalbetrieb, wenn andere Elemente in dem System an- oder abschalten.The ability of the element to be one through its main connections to withstand applied surge voltage usually called the dV / dt capability of the element and given in V / microseconds. This dV / dt ability becomes particularly important when surge voltages to the main connections of the element. Such surge voltages occur in electrical systems when one Malfunction interrupts normal system operation or even during normal operation when other elements in the Switch system on or off.

Stoßspannungen haben im allgemeinen eine rasche Anstiegsgeschwindigkeit, die größer sein kann, als die dV/dt-Fähigkeit des Elementes. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Stoßspannung die dV/dt-Fähigkeit z. B. eines Thyristors übersteigt, dann kann das Element unbeabsichtigt angeschaltet werden.Surge voltages generally have a rapid rate of increase, which can be greater than the dV / dt capability of the element. If the rate of increase of Surge voltage the dV / dt capability z. B. a thyristor exceeds, then the element can be switched on unintentionally will.

Es gibt eine Reihe bekannter Verfahren, um die dV/dt-Fähigkeit von Halbleiterelementen zu verbessern. Ein solches Verfahren ist die Anwendung von "Emitterkurzschlüssen" in einem relativen großen Emitterbereich des Halbleiterelementes. Nachteile bei der Verwendung solcher Emitterkurzschlüsse können sein, daß der zum Aktivieren des Halbleiterelementes erforderliche Gatestrom erhöht wird und die Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt beim Einschalten des Elementes vermindert wird.There are a number of known methods to measure dV / dt capability of semiconductor elements to improve. Such one Process is the application of "emitter short circuits" in a relatively large emitter area of the semiconductor element. Disadvantages when using such emitter short circuits may be that to activate the Required gate current semiconductor element is increased and the current rise rate dI / dt when the element is switched on is reduced.

Ein anders bekanntes Verfahren zum Verbessern der dV/dt- Fähigkeit eines Halbleiterelementes besteht in der Anwendung eines wechselseitigen Ineinandergreifens von Gate- und Kathodenelektroden. Dadurch wird der anfängliche Anschaltbereich der Emitter erhöht und die Anschaltempfindlichkeit des Elementes gegenüber Gatestrom entsprechend verringert. Das wechselseitige Ineinandergreifen verursacht jedoch Probleme hinsichtlich des Verpackens ebenso wie hinsichtlich dem erforderlichen erhöhten Gatestrom. Another way to improve dV / dt The ability of a semiconductor element is in the application a mutual interlocking of gate and cathode electrodes. Thereby the initial switch-on range of the emitters is increased and the switch sensitivity of the element to Gate current reduced accordingly. The mutual Interlocking, however, causes problems in terms of packaging as well as the required increased gate current.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Verbessern der dV/dt- Fähigkeit eines Halbleiterelementes besteht in der Anwendung eines Widerstandes, der zwischen Gate und Kathode des Halbleiterelementes gelegt ist und der einen Nebenschlußpfad schafft, um einen Teil des von der Stoßspannung erzeugten Gatestromes von dem Emitter der Kathode abzulenken. Die Anwendung eines Widerstands-Nebenschlußpfades für das Gatesignal reduziert die Gateempfindlichkeit des Halbleiterelementes in gleichem Maße.Another known method for improving the dV / dt The ability of a semiconductor element is in the application a resistor between the gate and cathode of the semiconductor element and the one shunt path manages to part of that from the surge voltage generated gate currents from the emitter of the cathode distract. The application of a resistance shunt path for the gate signal reduces the gate sensitivity of the semiconductor element to the same extent.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das die dV/dt-Fähigkeit des Elementes erhöht, jedoch nur eine minimale Auswirkung auf andere Parameter des Elementes hat.The object of the present invention is a Semiconductor element of the type mentioned create the dV / dt capability of the element increased, but only a minimal one Affect other parameters of the element.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. According to the present Invention this task by characterizing part of claim 1 solved.

Die zweite Kathoden-Emitterzone und die Anode können mit den Anschlüssen einer Potentialquelle relativ hoher Spannung verbunden werden, die periodisch Stoßspannungen relativ hoher Spannung aufweist. Das periodische Auftreten von Stoßspannungen zwischen der zweiten Kathoden-Emitterzone und der Anode erzeugt kapazitive Ladeströme innerhalb der ersten und der zweiten Schicht, die in den Emitterzonen der ersten und der zweiten Kathode als Gatestrom in Erscheinung treten. Der Gatestrom in der Emitterzone in der ersten Kathode wäre, wenn er in der Amplitude nicht vermindert wird, ausreichend groß, um eine Leitung zwischen der ersten Kathoden-Emitterzone und der Anode zu verursachen. Dagegen ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement die dV/dt-Fähigkeit dadurch verbessert, daß es eine kapazitive Einrichtung umfaßt, die mit dem Gatebereich gekoppelt ist, um einen kapazitiven Nebenschlußpfad zum Ablenken eines Teiles des von der Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladestromes zu schaffen, der innerhalb des Gatebereiches fließt, und zwar weg von der Emitterzone der ersten Kathode und dem darunterliegenden Teil der ersten Schicht, so daß die als Gatestrom in Erscheinung tretenden kapazitiven Ladeströme vermindert werden.The second cathode emitter zone and the anode can also be used the connections of a potential source of relatively high voltage are connected, the periodic surge voltages relative high voltage. The periodic occurrence of surge voltages between the second cathode emitter zone and the anode generates capacitive charging currents within the first and second layers that are in the emitter zones the first and the second cathode as a gate current appear. The gate current in the emitter zone would be in the first cathode if it was in amplitude is not diminished, large enough to line between the first cathode emitter zone and the anode cause. In contrast, the semiconductor element according to the invention improves the dV / dt capability in that it comprises a capacitive device connected to the gate area is coupled to a capacitive shunt path to distract part of the from the surge voltage to create capacitive charging current generated within of the gate area flows away from the emitter zone the first cathode and the part underneath the first layer so that it appears as a gate current occurring capacitive charging currents can be reduced.

Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden DE-OS 28 22 336 ist eine Thyristoranordnung bekannt, bei der eine kapazitive Einrichtung die Kathoden-Emitterzone eines Hilfsthyristors mit der Kathoden-Basiszone des Hauptthyristors nahe dessen Kathoden-Emitterzone verbindet. Diese Maßnahme dient aber nicht der Verbesserung der dV/dt-Fähigkeit, sondern sie verbessert durch eine größere Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt das Einschaltverhalten.From the generic DE-OS mentioned at the beginning 28 22 336 a thyristor arrangement is known in which a capacitive device the cathode emitter zone one Auxiliary thyristor with the cathode base zone of the main thyristor connects near its cathode-emitter zone. This measure does not serve to improve dV / dt capability, but enhanced by a larger one Current rise rate dI / dt the switch-on behavior.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigtAn embodiment of the invention is described below with reference to FIG Drawing explained in more detail. In detail shows

Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines nicht zur Erfindung gehörenden Halbleiterelementes mit einer Impedanz zur Schaffung eines Nebenschlusses für den durch die Stoßspannung erzeugten Gatestrom und Fig. 1 shows a partial cross section of a semiconductor element not belonging to the invention with an impedance to create a shunt for the gate current generated by the surge voltage and

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines verstärkenden Thyristors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem im Zentrum angeordneten Gate, bei dem im Inneren vorhandene isolierende Schichten dazu dienen, die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt des Elementes zu erhöhen. Fig. 2 is a partial sectional view of an amplifying thyristor according to the present invention with a gate arranged in the center, in which insulating layers present inside serve to increase the permissible voltage rise rate dV / dt of the element.

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt eines Halbleiterelementes 10, das als verstärkendere Thyristor mit einem im Zentrum angeordneten Gate 24 ausgebildet ist. Dieses Element 10 weist eine Anodenbasisschicht 16 aus einem halbleitenden Material des n-Typs auf, und weiter bildet ein halbleitendes Material des p-Typs eine Schicht 18, die unterhalb und im Kontakt mit der Schicht 16 angeordnet ist. Eine Kathodenbasisschicht 14 aus halbleitendem Material des p-Typs ist oberhalb und im Kontakt mit der Schicht 16 angeordnet. Die Schichten 14 und 16 weisen an ihrer äußeren Peripherie eine abgeschrägte Oberfläche 38 auf, um die Lawinendurchbruchsspannung zu erhöhen. Die halbleitende Schicht 14 stellt einen Hauptteil einer oberen Oberfläche 19 des Halbleiterelementes 10. Die halbleitende Schicht 16 bildet im allgemeinen das Substrat des Elementes 10, wobei die Schichten 14 und 18 durch Diffusion und/oder epitaxiales Aufwachsen gebildet werden. Das Element 10 schließt einen Pilot-Thyristor 13 und einen Hauptthyristor 28 ein, die jeder eine zusätzliche Schicht mit hoher n⁺-Leitfähigkeit aufweisen, die als Schichten 15 bzw. 17 gezeigt sind. Die Schicht 15 mit n⁺-Leitfähigkeit bildet den Kathodenemitter des Pilot-Thyristors 13. In ähnlicher Weise bildet die Schicht 17 mit n⁺-Leitfähigkeit den Kathodenemitter des Hauptthyristors 28. Über dem Emitter 15 liegt eine Metallisierungsschicht 26, die in der vorliegenden Anmeldung als die Kathodenelektrode der Pilotstufe oder die erste Kathodenelektrode bezeichnet wird. In ähnlicher Weise liegt auf dem Emitter 17 eine Metallisierungsschicht 30, die in der vorliegenden Anmeldung die Kathodenelektrode der Hauptstufe oder die zweite Kathodenelektrode genannt wird. Der Emitter 15 und die Schicht 26 umfassen die Kathode der Pilotstufe, während der Emitter 17 und die Schicht 30 die Kathode der Hauptstufe umfassen. Fig. 1 shows a partial cross section of a semiconductor element 10 which is formed as a reinforcing particular thyristor having a centrally disposed gate 24.. This element 10 has an anode base layer 16 made of an n-type semiconducting material, and furthermore a p-type semiconducting material forms a layer 18 which is arranged below and in contact with the layer 16 . A cathode base layer 14 made of p-type semiconducting material is disposed above and in contact with layer 16 . The layers 14 and 16 have a tapered surface 38 on their outer periphery to increase the avalanche breakdown voltage. The semiconducting layer 14 constitutes a main part of an upper surface 19 of the semiconductor element 10 . Semiconducting layer 16 generally forms the substrate of element 10 , layers 14 and 18 being formed by diffusion and / or epitaxial growth. Element 10 includes a pilot thyristor 13 and a main thyristor 28 , each having an additional layer with high n⁺ conductivity, shown as layers 15 and 17 , respectively. The layer 15 with n⁺ conductivity forms the cathode emitter of the pilot thyristor 13 . Similarly, the layer 17 with n 17 conductivity forms the cathode emitter of the main thyristor 28 . A metallization layer 26 , which is referred to in the present application as the cathode electrode of the pilot stage or the first cathode electrode, lies over the emitter 15 . Similarly, there is a metallization layer 30 on the emitter 17 , which in the present application is called the cathode electrode of the main stage or the second cathode electrode. Emitter 15 and layer 26 comprise the pilot stage cathode, while emitter 17 and layer 30 comprise the main stage cathode.

Die Metallisierungsschicht 30 liefert einen Kontakt für den Anschluß eines Endes einer Spannungsquelle relativ hoher Spannung über einen Anschluß 34. Die Metallisierungsschichten 26 und 30 weisen, wenn dies erwünscht ist, übliche Emitterkurzschlüsse 32 auf, die auf ihren oberen Teilen gebildet sind und sich bis in den Bereich der Schicht 14 erstrecken. Eine weitere Metallisierungsschicht 24, in der vorliegenden Anmeldung als das Gate des Elementes 10 bezeichnet, liegt auf der Kathodenbasisschicht 14. Das Gate 24 kann mit irgendeiner Quelle für ein elektrisches Gatesignal über einen Anschluß 22 verbunden werden. In einer Ausführungsform eines photosensitiven verstärkenden Thyristors 10 kann ein Lichtsignal auf einen Teil oder den gesamten Gatebereich 47 auftreffen. Aus diesem Grund ist die Elektrode 24 für die auftreffende Lichtstrahlung durchlässig oder sie ist mit einem kleinen Bereich versehen, der ausreichend Licht auf die Oberfläche 19 in dem Gatebereich 47 auftreffen läßt, um das Element anzusteuern. Metallization layer 30 provides a contact for connecting one end of a relatively high voltage voltage source via terminal 34 . If desired, the metallization layers 26 and 30 have conventional emitter short circuits 32 , which are formed on their upper parts and extend into the region of the layer 14 . Another metallization layer 24 , referred to in the present application as the gate of the element 10 , lies on the cathode base layer 14 . Gate 24 may be connected to any source of an electrical gate signal via terminal 22 . In one embodiment of a photosensitive amplifying thyristor 10 , a light signal may strike part or all of the gate region 47 . For this reason, the electrode 24 is transparent to the incident light radiation or is provided with a small area which allows sufficient light to strike the surface 19 in the gate area 47 to drive the element.

Eine weitere Metallisierungsschicht 20 ist unter der Schicht 18 angeordnet, und sie bildet eine Einrichtung zum Verbinden des Elements 10 mit dem anderen Ende der Quelle hoher Spannung über einen Anschluß 36. Die Metallisierungsschicht 20 wird in der vorliegenden Anmeldung als die Anode des Elements 10 bezeichnet.Another metallization layer 20 is disposed below layer 18 and forms a means for connecting element 10 to the other end of the high voltage source via terminal 36 . Metallization layer 20 is referred to as the anode of element 10 in the present application.

Der Gatebereich 47 des Halbleiterelements 10, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich von einer zentralen Linie 12 bis zu einier Vorderkante 70 des Pilot-Thyristors 13. Ein Pilot-Thyristorbereich 49 erstreckt sich vom Ende des Gatebereiches 47 aus bis zum Ende des Emitters 15. Ein Hauptthyristorbereich 51 beginnt an einer Vorderkante 80 und umfaßt den Emitter 17 des Hauptthyristors 28. Die Vorderkante des Pilot-Thyristors befindet sich auf der Seite, die der Gateregion 47 am nächsten ist, und sie ist daher vorn in bezug auf den Gatebereich.The gate region 47 of the semiconductor element 10 , as shown in FIG. 1, extends from a central line 12 to a front edge 70 of the pilot thyristor 13 . A pilot thyristor region 49 extends from the end of the gate region 47 to the end of the emitter 15 . A main thyristor region 51 begins at a leading edge 80 and includes the emitter 17 of the main thyristor 28 . The leading edge of the pilot thyristor is on the side closest to the gate region 47 and therefore it is in front of the gate area.

Auftretende Stoßspannungen, die dem Halbleiterelement über Kathode und Anode aufgedrückt werden, können kapazitive Ladeströme innerhalb des Elements 10 verursachen. Die kapazitiven Ladeströme sind in Fig. 1 als eine Vielzahl von Pfeilen 41 gezeigt, die von der Anode 20 ausgehen und durch die Schichten 18, 16 und 14 in Richtung auf den oberen Teil 19 des Elements 10 fließen. Ein Teil der durch die Stoßspannungen verursachten kapazitiven Ladeströme kann als Gatestrom ausreichender Größe auftreten, um einen kritischen Wert zu übersteigen und den Hauptthyristor 28 leitend zu machen, und auf diese Weise das Element 10 unbeabsichtigt anzuschalten. In ähnlicher Weise kann ein Teil der durch die Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme 41 auch den Pilot-Thyristor 13 leitend machen und so ebenfalls das Element 10 unbeabsichtigt anschalten. Surge voltages that are impressed on the semiconductor element via the cathode and anode can cause capacitive charging currents within the element 10 . The capacitive charging currents are shown in FIG. 1 as a plurality of arrows 41 which originate from the anode 20 and flow through the layers 18 , 16 and 14 in the direction of the upper part 19 of the element 10 . Part of the capacitive charging currents caused by the surge voltages can occur as a gate current of sufficient magnitude to exceed a critical value and to make the main thyristor 28 conductive, and in this way unintentionally turn on the element 10 . Similarly, part of the capacitive charging currents 41 generated by the surge voltage can also make the pilot thyristor 13 conductive and thus likewise unintentionally switch on the element 10 .

Bei dem Halbleiterelement der Fig. 1 ist eine Impedanz 11 vorgesehen, um die Empfindlichkeit des Elements 10 gegenüber einem unbeabsichtigten Anschalten durch Stoßspannungen zu verringern. Dieses Verringern der Empfindlichkeit gegenüber unbeabsichtigten Anschalten erhöht entsprechend die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bzw. dV/dt-Fähigkeit des Elements 10.An impedance 11 is provided in the semiconductor element of FIG. 1 in order to reduce the sensitivity of the element 10 to inadvertent switching on by surge voltages. This reduction in sensitivity to unintentional switching on correspondingly increases the permissible voltage rise rate or dV / dt capability of the element 10 .

Die Impedanz 11 ist zwischen dem Gate 24 und der zweiten Kathodenelektrode 30 geschaltet und schafft so einen Nebenschluß- oder Parallelpfad, um einen Teil der durch die Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme von den Emittern 15 und 17 wegzuleiten, fließen.The impedance 11 is connected between the gate 24 and the second cathode electrode 30 and thus creates a shunt or parallel path to conduct a portion of the capacitive charging currents generated by the surge voltage away from the emitters 15 and 17 .

Die Impedanzeinrichtung 11 besteht aus einem im wesentlichen verlustlos arbeitenden Kondensator, der eine relativ geringe Impedanz gegenüber raschen Stoßspannungen hat. Die Verwendung eines kapazitiven Nebenschlusses erhöht zwar die dV/dt-Fähigkeit des Halbleiterelements, verlängert aber auch die Zeitverzögerung bis zum Anschalten des Elements 10 und vermindert im allgemeinen die Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt des Elements 10 etwas. Aus weiter unten angegebenen Gründen wird die Kapazität des Kondensators für die Impedanzeinrichtung 11 unter Berücksichtigung der erhöhten dV/dt-Fähigkeit, der längeren Verzögerung bis zum Anschalten und der entsprechend verminderten Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt des Elements 10 ausgewählt. The impedance device 11 consists of an essentially lossless capacitor which has a relatively low impedance to rapid surge voltages. The use of a capacitive shunt increases the dV / dt capability of the semiconductor element, but also extends the time delay until the element 10 is switched on and generally reduces the rate of current rise dI / dt of the element 10 somewhat. For reasons given below, the capacitance of the capacitor for the impedance device 11 is selected taking into account the increased dV / dt capability, the longer delay before switching on and the correspondingly reduced current rise rate dI / dt of the element 10 .

Die Verwendung des kapazitiven Nebenschlusses 11 mit einer geringen Impedanz gegenüber durch rasche Stoßspannungen erzeugten Strömen lenkt einen Teil der kapazitiven Ladeströme 41 von den Emittern 15 und 17 weg und vermindert so den von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt abgeleiteten Gatestrom, der an den Pilot-Thyristor 13 und den Hauptthyristor 28 angelegt wird. Der Gatestrom als Funktion der Zeit, der im folgenden abgekürzt I_G(t) bezeichnet wird, ist in etwa durch die folgende Beziehung wiedergegeben:The use of the capacitive shunt 11 with a low impedance to currents generated by rapid surge voltages deflects some of the capacitive charging currents 41 away from the emitters 15 and 17 and thus reduces the gate current derived from the voltage rise rate dV / dt, which is applied to the pilot thyristor 13 and the main thyristor 28 is applied. The gate current as a function of time, which is abbreviated to I _G (t) below, is roughly represented by the following relationship:

I_G(t) = C_J · dV/dt (1-e (t/τ_G) (1)I _G (t) = C · _J dV / dt (1-e (t / τ _G) (1)

worinwherein

C_J die Kapazität der Übergangszone des Gatebereiches 47,
t die während der Stoßspannung vergangene Zeit,
C_J · dV/dt die durch die Stoßspannungen erzeugten kapazitiven Ladeströme und
τ_G = (C_J+C₁₁) · R_GK für die Zeitdauer t ist, wobei
C₁₁ die Kapazität der Impedanzeinrichtung 11 und
R_CK der Widerstand zwischen der Gateelektrode 24 und der zweiten Kathoodenelektrode 30 ist.C _J the capacitance of the transition zone of the gate area 47 ,
t the time elapsed during the surge voltage,
C _J · dV / dt the capacitive charging currents and generated by the surge voltages
τ _G = (C _J + C₁₁) · R _GK for the period t, where
C₁₁ the capacity of the impedance device 11 and
R _{CK is} the resistance between the gate electrode 24 and the second cathode electrode 30 .

Das Symbol τ_G wird in der vorliegenden Anmeldung als die Zeitkonstante von Gate 24 zur Kathode 30 genannt. Der Wert von τ_G des Elements mit einer inhärenten Kapazität C_J und einem Widerstand R_GK kann durch geeignete Auswahl einer Kapazität für C₁₁ gewählt werden.The symbol τ _G is referred to in the present application as the time constant from gate 24 to cathode 30 . The value of τ _{G of} the element with an inherent capacitance C _J and a resistance R _GK can be chosen by appropriately selecting a capacitance for C₁₁.

Nach einer Zeitdauer t_Anstieg, wenn die Stoßspannung, die den kapazitiven Ladestrom erzeugt, ausläuft, kann I_G für Zeiten größer als t_Anstieg in geeigneter Weise durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden:After a period of time t _rise when the surge voltage generating the capacitive charging current expires, I _G can be suitably represented by the following relationship for times greater than t _rise :

I_G(t) = I_G(t_Anstieg) exp (-(t-t_Anstieg)/t_a) (2)I _G (t) = I _G (t _increase ) exp (- (tt _increase ) / t _a ) (2)

worin t_a die Zeitkonstante ist, die den Abfall vonI_G mißt.where t _{a is} the time constant that measures the drop in I _G.

Die Gleichung (1) kann über die Zeitdauer t_Anstieg integriert werden, um die Ladung zu bestimmen, die während t_Anstieg an das Gate abgegeben wird, und dann kann man das Ergebnis der Gleichung (a) für Zeiten größer als t_Anstieg zum Integral der Gleichung (2) addieren, um die insgesamt durch den dV/dt-Gatestrom an das Gate 24, an dem die Impedanzeinrichtung 11 angeschlossen ist, abgegebene Ladung zu bestimmen. Die bestimmte Ladung kann dann mit einer Ladung verglichen werden, die ohne die Kapazität der Impedanzeinrichtung 11, die zwischen Gate 24 und zweiter Kathodenelektrode 30 geschaltet ist, entwickelt worden wäre. Der sich ergebende Vergleich wäre repräsentativ für einen verbesserten dV/dt-Faktor F, der in etwa durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden kann:Equation (1) can be integrated over time t _rise to determine the charge that will be released to the gate during t _rise , and then the result of equation (a) can be integral to the integral for times greater than t _rise Add equation (2) to determine the total charge delivered by the dV / dt gate current to the gate 24 to which the impedance device 11 is connected. The determined charge can then be compared to a charge that would have been developed without the capacitance of the impedance device 11 , which is connected between the gate 24 and the second cathode electrode 30 . The resulting comparison would be representative of an improved dV / dt factor F, which can be roughly represented by the following relationship:

Während die Impedanz 11 die dV/dt-Fähigkeit des Elements 10 verbessert, verlängert sie jedoch auch die zum Anschalten des Elements 10 erforderliche Zeit zu dem Grad, zu dem die Impedanzeinrichtung 11 Gatestrom vom Gate 24 abzieht. Bei den meisten Thyristoranwendungen für relativ langsames Schalten, wie bei Frequenzen von weniger als 1 kHz, wird ein τ_G in der Größenordnung von 20 Mikrosekunden die Leistungsfähigkeit des Elements 10 nicht beträchtlich vermindern. Wenn jedoch die Schaltgeschwindigkeit für den Thyristor höher als 1 kHz liegt, dann sollte τ_G normalerweise so gewählt werden, daß es nicht größer ist als einige Mikrosekunden. However, while impedance 11 improves the dV / dt capability of element 10 , it also increases the time required to turn element 10 on to the extent that impedance device 11 draws gate current from gate 24 . In most thyristor applications for relatively slow switching, such as frequencies below 1 kHz, a τ _G on the order of 20 microseconds will not significantly degrade the performance of element 10 . However, if the switching speed for the thyristor is higher than 1 kHz, then τ _{G should} normally be chosen so that it is not greater than a few microseconds.

Die Impedanzeinrichtung 11 vermindert die Anstiegszeit für das normale Gatestromsignal, das an das Gate 24 gelegt wird, unter normalen Zündbedingungen. Infolgedessen können unter solchen normalen Zündbedingungen die Anschaltgeschwindigkeit und die Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt des Elements 10 beeinflußt werden. Um den Grad der Verminderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten eines verstärkenden Gatethyristors zu ermitteln, der den verbesserten dV/dt-Faktoren F entspricht, wurden Versuche ausgeführt, deren Ergebnisse in der folgenden Tabelle gezeigt sind. Diese Ergebnisse präsentieren die gemessenen Anschaltgeschwindigkeiten in dI/dt-Einheiten.The impedance device 11 reduces the rise time for the normal gate current signal applied to the gate 24 under normal ignition conditions. As a result, the turn-on speed and the current rise speed dI / dt of the element 10 can be influenced under such normal ignition conditions. In order to determine the degree of reduction in the current slew rate when switching on an amplifying gate thyristor which corresponds to the improved dV / dt factors F, tests were carried out, the results of which are shown in the following table. These results present the measured connection speeds in dI / dt units.

Die in dieser Tabelle angegebenen Werte wurden unter Verwendung der Gleichung (3) für t_Anstieg = 1 Mikrosekunde und r_G = R_GKC₁₁ bestimmt, worin R_GK = 30 Ohm und C₁₁ den in der Tabelle angegebenen Wert aufweist, der dem entsprechenden Wert von F entspricht. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt beim Anschalten sind in der Spalte für den Thyristor (28) diejenigen, die beim Anschalten des Hauptthyristors 28 aufgetreten sind. In ähnlicher Weise sind die Stromanstiegsgeschwindigkeiten dI/dt in der Spalte für den Thyristor (13) die, die während des Anschaltens des Pilot-Thyristors 13 aufgetreten sind. Die ersten vier Werte für den Pilot-Thyristor (13) bei V_A = 400 Volt und I_G = 400 mA wurden, wie aus der Tabelle ersichtlich, nicht bestimmt.The values given in this table were determined using equation (3) for t _rise = 1 microsecond and r _G = R _GK C₁₁, where R _GK = 30 ohms and C₁₁ has the value given in the table which corresponds to the corresponding value of F corresponds. The current rise speed dI / dt when switching on are in the column for the thyristor ( 28 ) those that occurred when the main thyristor 28 was switched on. Similarly, the current rise rates dI / dt in the column for the thyristor ( 13 ) are those that occurred during the turning on of the pilot thyristor 13 . The first four values for the pilot thyristor ( 13 ) at V _A = 400 volts and I _G = 400 mA were not determined, as can be seen from the table.

Aus der Tabelle ergibt sich, insbesondere für die Anodenspannung V_A von 800 Volt und den Gatestrom I_G von 200 mA, daß die stärkste prozentuale Verminderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten für den Thyristor 13 von 550 auf 360 A/Mikrosekunden erfolgt. Der entsprechende F-Wert zeigt jedoch eine Zunahme von 1,00 bis 18,5. Eine relativ geringe Abnahme bei der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten entspricht also einer relativ großen Verbesserung bei der dV/dt-Fähigkeit des Elements als Ergebnis der Verwendung des Kondensators 11, ohne daß irgendwelche beträchtlichen Nachteile hinsichtlich der anderen Fähigkeiten des Elements 10 in Kauf genommen werden müssen.The table shows, in particular for the anode voltage V _A of 800 volts and the gate current I _G of 200 mA, that the greatest percentage reduction in the rate of current rise occurs when switching on for the thyristor 13 from 550 to 360 A / microseconds. However, the corresponding F value shows an increase of 1.00 to 18.5. A relatively small decrease in the rate of current rise when turned on thus corresponds to a relatively large improvement in the dV / dt capability of the element as a result of using the capacitor 11 without having to accept any significant disadvantages with respect to the other capabilities of the element 10 .

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eingebaute Isolationsschichten benutzt, um eine ähnliche Funktion zu bewirken, wie sie die außen angebrachte Impedanzeinrichtung 11 der Fig. 1 aufweist, ist in Fig. 2 gezeigt, die einen Teilquerschnitt eines verstärkenden Gate-Thyristors 40 mit dem Pilot-Thyristor 13 und dem Hauptthyristor 28 wiedergibt. Die Schichten 14, 16 und 18, die durch Stoßspannungen verursachten kapazitiven Ladeströme 41, die Abschrägung 38, die Anode 20 und das Gate 24 haben eine ähnliche Struktur und Funktion, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Element 10 der Fig. 1 beschrieben sind. Auch die weiteren der Fig. 1 entsprechenden Teile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.An embodiment of the present invention that utilizes built-in insulation layers to perform a function similar to that of the external impedance device 11 of FIG. 1 is shown in FIG. 2, which is a partial cross-section of an amplifying gate thyristor 40 with the pilot -Thyristor 13 and the main thyristor 28 reproduces. The layers 14 , 16 and 18 , the capacitive charging currents 41 caused by surge voltages, the bevel 38 , the anode 20 and the gate 24 have a structure and function similar to those already described in connection with the element 10 of FIG. 1. The other parts corresponding to FIG. 1 are also given the same reference numerals in FIG. 2.

Der Pilot-Thyristor 13 weist den Emitter 15 auf, der aus der n⁺-Schicht hoher Leitfähigkeit gebildet ist, über dem die Metallisierungsschicht 26 liegt. In ähnlicher Weise weist der Hauptthyristor 28 den Emitter 17 auf, der aus einer n⁺-Schicht hoher Leitfähigkeit gebildet ist, über der die Metallisierungsschicht 30 liegt.The pilot thyristor 13 has the emitter 15 , which is formed from the n⁺ layer of high conductivity, over which the metallization layer 26 is located. Similarly, the main thyristor 28 has the emitter 17 , which is formed from an n⁺ layer of high conductivity, over which the metallization layer 30 is located.

Eine erste isolierende Schicht 46, die vorzugsweise ein Oxid der Halbleiterschichten 14 und 15 umfaßt, wird innerhalb der Schicht 14 und des Emitters 15 gebildet und diese isolierende Schicht 46 ist so angeordnet, daß sie die Vorderkante 70 des Pilot-Thyristors 13 unter einer Verlängerung 48 der ersten Kathodenelektrode 26 berührt und überlappt. Die Kombination der Verlängerung 48 mit der isolierenden Schicht 46 führt zur Bildung einer Schichtanordnung 50.A first insulating layer 46 , preferably comprising an oxide of the semiconductor layers 14 and 15 , is formed within the layer 14 and the emitter 15 , and this insulating layer 46 is arranged to have the leading edge 70 of the pilot thyristor 13 under an extension 48 touches the first cathode electrode 26 and overlaps. The combination of the extension 48 with the insulating layer 46 leads to the formation of a layer arrangement 50 .

Innerhalb der Schicht 14 und dem Emitter 17 ist ebenfalls eine zweite isolierende Schicht 54 gebildet, die die Vorderkante 80 des Hauptthyristors 28 unter einer Verlängerung 56 der zweiten Kathodenelektrode 30 berührt und überlappt. Die Kombination der Verlängerung 56 mit der isolierenden Schicht 54 führt zur Bildung einer Schichtanordnung 57.A second insulating layer 54 is likewise formed within the layer 14 and the emitter 17 and touches and overlaps the front edge 80 of the main thyristor 28 under an extension 56 of the second cathode electrode 30 . The combination of the extension 56 with the insulating layer 54 leads to the formation of a layer arrangement 57 .

Beim Hauptthyristor 28 ist weiter eine Isolationsschicht 60 innerhalb der Schicht 14 und dem Emitter 17 gebildet, die vorzugsweise ein Oxid der Halbleiterschichten 17 und 14 umfaßt, und diese Schicht ist in einer komplementären Anordnung mit einem lokalen Bereich 58 der zweiten Kathodenelektrode 30 angeordnet, unter dem die Schicht 17 weggeätzt oder in anderer Weise entfernt worden ist. Eine Alternative zum lokalen Bereich 58 und der Isolationsschicht 60 ist eine Isolationsschicht 62, die vorzugsweise aus einem Oxid der Halbleiterschicht 14 besteht und unter der zweiten Kathodenelektrode 30 gebildet und in einem lokalen Bereich 68 angeordnet ist, in dem der Emitter 17 absichtlich nicht durch Diffundieren oder epitaxiales Aufwachsen gebildet worden war. Die isolierenden Schichten 46, 54, 60 und 62 haben eine Dicke und Ausdehnung, die in der Weise vorbestimmt ist, daß sie die Kapazität der Bereiche 50, 57, 58 und 68 in der gleichen Weise bestimmen, wie die Kapazität C₁₁ in der Anordnung nach Fig. 1.In the main thyristor 28 , an insulation layer 60 is further formed within the layer 14 and the emitter 17 , which preferably comprises an oxide of the semiconductor layers 17 and 14 , and this layer is arranged in a complementary arrangement with a local area 58 of the second cathode electrode 30 , under which layer 17 has been etched away or otherwise removed. An alternative to the local region 58 and the insulation layer 60 is an insulation layer 62 , which preferably consists of an oxide of the semiconductor layer 14 and is formed under the second cathode electrode 30 and is arranged in a local region 68 in which the emitter 17 is intentionally not diffused or epitaxial growth had been formed. The insulating layers 46, 54, 60 and 62 have a thickness and dimension which is predetermined in such a way that they determine the capacitance of the regions 50, 57, 58 and 68 in the same way as the capacitance C₁₁ in the arrangement according to Fig. 1.

Die Schichtanordnungen 50 und 57 ergeben eingebaute Nebenschlußkondensatoren für den Pilot-Thyristor 13 bzw. den Hauptthyristor 28. Diese Kondensatoren bilden Einrichtungen zum Wegleiten der kapazitiven Ladeströme 41, die durch Stoßspannungen erzeugt wurden, die zwischen Anode und zweiter Kathode aufgedrückt wurden, von Emitter 15 des Pilot-Thyristors 13 und Emitter 17 des Hauptthyristors 28. Der Nebenschlußpfad für den Pilot-Thyristor 13 wird durch die Schichtanordnung 50 geschaffen, die einen Teil der kapazitiven Ladeströme 41 zu der ersten Kathodenelektrode 26 ablenkt. In ähnlicher Weise wird der Nebenschlußpfad für den Hauptthyristor 28 durch die Schichtanordnung 57 geschaffen, die einen Teil der kapazitiven Ladeströme 41 zu der zweiten Kathodenelektrode 30 ablenkt.The layer arrangements 50 and 57 result in built-in shunt capacitors for the pilot thyristor 13 and the main thyristor 28, respectively. These capacitors form means for conducting away the capacitive charging currents 41 , which were generated by surge voltages that were applied between the anode and the second cathode, from the emitter 15 of the pilot thyristor 13 and emitter 17 of the main thyristor 28 . The shunt path for the pilot thyristor 13 is created by the layer arrangement 50 , which deflects part of the capacitive charging currents 41 to the first cathode electrode 26 . In a similar manner, the shunt path for the main thyristor 28 is created by the layer arrangement 57 , which deflects part of the capacitive charging currents 41 to the second cathode electrode 30 .

Das in Fig. 2 gezeigte Element 40 mit den eingebauten Überbrückungskondensatoren 50 und 57 innerhalb des Pilot- Thyristors 13 bzw. des Hauptthyristors 28 bewerkstelligt das gleiche Ergebnis wie das Element 10 mit der Impedanzeinrichtung 11 nach Fig. 1. Die Kapazitäten der eingebauten Schichtanordnungen 50 und 57 des Elements 40 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ergeben in etwa die gleiche Verbesserung hinsichtlich des Faktors F, der in der obigen Tabelle für die entsprechenden Kapazitäten von C₁₁ aufgeführt ist, wobei die gleiche Zunahme hinsichtlich der Anschaltzeit und Abnahme der Stromanstiegsgeschwindigkeit wie für das Element 10 auftreten.The element 40 shown in FIG. 2 with the built-in bypass capacitors 50 and 57 within the pilot thyristor 13 and the main thyristor 28 achieves the same result as the element 10 with the impedance device 11 according to FIG. 1. The capacitances of the built-in layer arrangements 50 and 57 of the element 40 in the embodiment of Fig. 2 give approximately the same improvement in terms of the factor F, which is listed in the table above for the corresponding capacities of C₁₁, with the same increase in turn-on time and decrease in current rise rate as for that Element 10 occur.

Die Kombination des lokalen Bereiches 58 und der isolierenden Schicht 60 schaffen eine kapazitive Art von "Emitterkurzschluß" in einem durch Ätzen hergestellten Emitter, wie in Fig. 2 gezeigt. In ähnlicher Weise schafft die Kombination aus isolierender Schicht 62, die unter der zweiten Kathodenelektrode 30 in einem Bereich 68 angeordnet ist, in dem das hochleitende Material des Emitters 17 entfernt worden ist, eine kapazitive Art von "Emitterkurzschluß" in einem durch Diffusion hergestellten Emitter. Diese kapazitiven Emitterkurzschlüsse, die im Hauptthyristor 28 angeordnet sind, vermindern die Empfindlichkeit des verstärkenden Gate-Thyristors 40 gegenüber einem unbeabsichtigten Anschalten in einer Weise ähnlich der, wie sie als Ergebnis üblicher Emitterkurzschlüsse erhalten wird. Die kapazitiven Emitterkurzschlüsse des Hauptthyristors 28 beeinträchtigen jedoch nicht die Ausbreitung eines Plasmas, das beim anfänglichen Anschalten eines Thyristors erzeugt wird, verglichen mit dem, was bei konventionellen Emitterkurzschlüssen auftritt. Die kapazitiven Emitterkurzschlüsse des Hauptthyristors 33 erhöhen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Plasmas und vergrößern auf die Weise die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Elements 40, während sie gleichzeitig eine hohe Spannungszunahmegeschwindigkeit aufrechterhalten. The combination of local area 58 and insulating layer 60 create a capacitive type of "emitter short" in an etch-fabricated emitter, as shown in FIG . Similarly, the combination of insulating layer 62 disposed under the second cathode electrode 30 in an area 68 where the highly conductive material of the emitter 17 has been removed creates a capacitive type of "emitter short" in an emitter made by diffusion. These capacitive emitter shorts located in the main thyristor 28 reduce the sensitivity of the amplifying gate thyristor 40 to inadvertent turn on in a manner similar to that obtained as a result of common emitter shorts. However, the capacitive emitter shorts of the main thyristor 28 do not interfere with the spread of a plasma generated when a thyristor is initially turned on compared to what occurs with conventional emitter shorts. The capacitive emitter shorts of the main thyristor 33 increase the rate of plasma propagation and thus increase the rate of current rise of the element 40 while maintaining a high rate of voltage increase.

Einige der Emitterkurzschlüsse können konventionelle sein. So können konventionelle Emitterkurzschlüsse mit kapazitiven Kurzschlüssen abwechseln.Some of the emitter shorts can be conventional be. This means that conventional emitter short circuits can occur with alternate capacitive short circuits.

Claims

1. Semiconductor element with high voltages

- an upper surface,
a first cathode emitter zone ( 15 ) and a first metallization layer ( 26 ) arranged thereon on a part of the upper surface,
a second cathode emitter zone 17 , which is separated by a distance from the first cathode emitter zone ( 15 ), and a second metallization layer ( 30 ) arranged thereon on another part of the upper surface,
the first and second cathode emitter zones are of the same first conductivity type,
an anode ( 20 ) which is separated from the first and second cathode emitter zones by a plurality of layers ( 14 , 16 , 18 ) made of material of alternating conductivity type,
a first layer ( 14 ) of layers of material of alternating conductivity type of the second, the first opposite conductivity type, which forms a further part of the upper surface and transitions with the first and the second cathode emitter zone,
- a gate electrode ( 24 ) on the first layer,
- wherein the semiconductor element for high voltages further comprises capacitive means for deflecting a portion of the capacitive charging currents, which are generated by surge voltages and flow within the layers of material of alternating conductivity type below the gate ( 24 ), away from the first and second cathode emitter zone and that part of the first layer ( 14 ) which lies below, characterized in that the capacitive means comprises:
a first insulating layer ( 46 ) which projects into the first cathode emitter zone ( 15 ) and a part of the first layer adjacent to the front edge ( 70 ) of the first cathode emitter zone facing the gate electrode and overlaps said front edge,
- The first metallization layer having a first metallization extension ( 48 ) which lies above the first insulating layer and also above the front edge of the first cathode emitter zone without being in direct contact with the first layer, and
a second insulating layer ( 54 ) which projects into the second cathode emitter zone ( 17 ) and a part of the first layer adjacent to the front edge ( 80 ) of the second cathode emitter zone facing the gate electrode and overlaps said front edge,
- The second metallization layer has a second metallization extension, which lies above the second insulating layer and also above the front edge of the second cathode-emitter zone, without being in direct contact with the first layer.

2. Semiconductor element according to claim 1, characterized in that the anode ( 20 ) contacts a zone ( 18 ) of the second conductivity type and the plurality of layers ( 14 , 16 , 18 ) made of material alternating conductivity type further a second layer ( 16 ) of the first conductivity type lock in.

3. Semiconductor element according to claim 2, characterized in that the first cathode emitter zone ( 15 ) is arranged adjacent to the gate ( 24 ).

4. Semiconductor element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the gate ( 24 ) is a light-sensitive gate and part of this gate is arranged so that it receives light radiation incident on the gate, the gate being substantially unimpeded against light radiation is.

5. Semiconductor element according to claim 1 or 2, characterized by a recess ( 58 ) of the first layer, which extends in the region of the second cathode emitter zone in the upper surface of the element, by a further insulating layer ( 60 ), which extends into the Recess of the first layer ( 14 ) extends, and through a further metallization extension of the second metallization layer ( 30 ), which lies over the further insulating layer and the recess.

6. Semiconductor element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first insulating layer ( 46 ) is an oxide of the semiconductor material of the first cathode emitter zone ( 15 ) and the semiconductor material of the first layer ( 14 ) and the second insulating layer ( 54 ) comprises an oxide of the semiconductor material of the second cathode emitter zone ( 17 ) and of the semiconductor material of said first layer.

7. The high voltage semiconductor element according to claim 1, characterized in that the gate comprises a gate metallization layer ( 24 ).

8. The semiconductor element according to claim 5, characterized in that one side of the part of the insulating layer within the recess abuts the underside of the metallization layer ( 30 ) at the point where the second cathode-emitter zone is interrupted, and another side of the part of the insulating layer within the recess abuts the recess surface, the insulating layer in combination with the second cathode-emitter zone forming an embedded capacitor.

9. Semiconductor element according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one recess in the region ( 68 ) extends through the second emitter zone ( 17 ) and into the first layer ( 14 ), an insulating layer ( 62 ) in the Recess extends, with an upper side of the insulating layer against the metallization layer ( 30 ) and a lower side of the insulating layer only against the first layer ( 14 ) and part of the second cathode emitter zone ( 17 ), so that the part of the second cathode-emitter zone surrounds part of the insulating layer.